觀測原子排列的奧祕──MEM-LEED系統


1989年9月237期｜上一篇｜下一篇＃發行日期：1989、9 ＃期號：0237 ＃專欄：＃標題：觀測原子排列的奧祕──MEM-LEED系統＃作者：潘文成．LEED原理與結構．LEED的缺點．MEM－LEED的原理與結構．MEM－LEED系統的特性．圖一：入射於晶體表面之電子，其入射動能與在晶體內之脫離深度關係曲線。．圖二：LEED裝置。圖中的金屬網與螢光幕稱為RFA(retarding field grid analyzer)，電子由電子槍射出，經樣品繞射後，電子於螢光幕上留下繞射圖形。．圖三：MEM-LEED系統中電子透鏡聚焦情形。經由電子透鏡焦距的調整，可分別在繞射平面與像平面，觀測到樣品表面的繞射圖形與顯微放大的圖形。．圖四：約翰生透鏡原理示意圖。電子由O點以角度α₀，能量E₀射出，其軌跡與樣品表面結構放大關係。其中AB為物，A'B'為放大之像。．圖五：MEM-LEED系統中電子透鏡部分的裝置(a),與電子在透鏡中的運動軌跡(b)。．圖六：約翰生透鏡中由靜電場形成之等電位線分布情形。電子經此靜電場之作用，與光線經一般光學透鏡之作用相同，能被匯聚或發散。		觀測原子排列的奧祕 ──MEM-LEED系統一般應用於研究表面結構的觀測技術，不外乎「顯微放大成像技術」與「繞射技術」。前者是設計放大倍數極高的顯微儀，直接觀察表面之原子排列；而後者是利用帶電粒子或中性原子、分子為探針做晶面繞射，再由繞射圖形推算出原子的實際排列情形。但鏡式電子顯微儀－低能量電子繞射（mirror electron microscope-low energy electron diffraction, MEM-LEED）系統，卻巧妙地將兩者融為一體了。 LEED原理與結構低能量電子繞射（LEED），是研究表面結構的重要技術，因電子與原子間的碰撞截面積較大，且低能量電子在固體內的平均自由徑（mean free path）非常短，由電子動能與脫離深度的關係中（見圖一），可知電子動能在20～200eV時，其脫離深度只有幾埃，即只有表面的1～2層原子而已，因此LEED非常適合於表面結構的探討。 LEED裝置如圖二，但整個系統需安置於超高真空中（UHV，p≤10^-10torr），圖中的金屬網用以消除非彈性散射部分的電子，因此只有彈性散射的電子可通過金屬網到達螢光幕，產生繞射圖形。而彈性散射的電子，可由布拉格繞射定律（Bragg diffraction law）解釋，即 a(sinθ-sinθ₀)=nλ其中θ、θ₀分別為繞射角與入射角，a為表面層原子間距離，並由德布羅意（de Brogile）方程式，知電子波長λ=h/p=(150.4/E₀)^1/2埃，E₀為入射動能，單位為eV，n為正整數，代表繞射序。若使電子垂直入射表面( θ₀=0)，則可得a sinθ=n(150.4/E₀)^1/2（單位為埃），如此便可決定表面原子的晶格結構。 LEED的缺點 LEED雖是觀測表面結構的利器，但仍有以下的缺點：一﹒由圖二中，可發現樣品和金屬網會阻礙繞射圖形的觀測。二﹒由於電子能量低，若行經之路徑太長，則外界之電磁場對其影響相當可觀。三﹒當電子的反射角度大於50°時（即入射能量低於30eV），其繞射圖形不能觀察到。四﹒LEED的繞射圖形為倒易空間（reciprocalspace）中的亮點，故無法直接觀測到真實空間的影像。五﹒不同能量的入射電子，所產生的繞射圖形因其繞射點之間距不同，分析上較為困難。針對以上的缺點柏格（C. Berger）等人，利用電子光學的特殊透鏡──約翰生透鏡（Johansson1ens；編案：此係一種磁場的設計），改進傳統LEED的裝置，不僅在觀測上較為方便，且電子也較不受外界電磁場的影響。 MEM－LEED的原理與結構 MEM－LEED系統中，不僅可由顯微放大的影像來直接觀察表面的形態，同時也可由繞射圖形來研判表面原子的排列，因此兼具MEM與LEED模式的雙重功能。MEM的結構主要是利用電子透鏡（即約翰生透鏡）之聚焦功能，與一片極為光滑之鋁鏡裝置，使電子槍射出的電子，經鋁鏡中心的小孔、屏幕的小孔與約翰生透鏡而投射到樣品表面，經作用後反射而回之電子，將於屏幕上產生一顯微放大的像，再由此45°的鋁鏡中觀察此放大的像。原理約翰生透鏡是利用電場使電子的運動軌跡發生偏折，並經適當的安排，使電子聚焦的裝置。如圖三的電子光學裝置，將使電子束經透鏡後，從樣品表面同一點出發的電子（圖中之1、2、3）將成像於像平面，而由樣品表面不同點但同一方向反射的電子（圖中之1、4），則聚焦於繞射平面的同一點上。但實際之裝置只要將屏幕固定於繞射平面，即可觀測繞射圖形，若再調整電子透鏡之焦距，使繞射平面往前移，當像平面恰好落在屏幕上時，則可在屏幕上觀察到表面原子的放大影像。從圖四，簡單說明約翰生透鏡原理，根據布拉格定律asinα₀=nλ sinα₀=n/a．λ=(n/a)(150.4/E₀)^1/2(1) 上式中的α₀是電子的入射角，也就是前述布拉格繞射定律的θ，因為電場平行於鏡軸，所以電子的徑向速度（相對於電子的出發點）分量不變，尤其在第一區域（見圖四）中距樣品最近，且其範圍較第二區域小，故（2）在第二區域中假設電子運動軌跡之計算符合高斯近似（Gaussianapproximation），即在第二區域電子運動軌跡趨向鏡軸，〔因陽極的電位Φ'較韋乃耳特（Wehnelt）極電位高出很多〕，故符合Lagrange-Helmholtz關係式：大多數電子都平行於鏡軸入射，所以α,α'角度很小，即α=sinα，且放大率M=A'B' /AB=A'F' / f'，因此由(3)式可知，電子軌跡與虛焦平面的交點為r_F'，一般情形是，因此 r_F'Φ'^1/2，且具有相同α₀以及E₀之電子運動軌跡就會跟虛焦平面相交於 r_F'。結構 MEM－LEED系統，是由傳統LEED，配合約翰生透鏡與一個鋁鏡而成（見圖五）。由電子槍射出之電子束動能約8～10keV，經約翰生透鏡後開始減速（約翰生透鏡包括陽極、韋乃耳特極與樣品三部分），到達韋乃耳特電極時約減為1keV，最後電子以低能量投射在樣品表面，當屏幕位於繞射平面時，經繞射而回的電子受約翰生透鏡加速，至韋乃耳特電極時可達1keV，再至陽極時達8～10keV，然後以等速抵達屏幕，其繞射圖形經45°的鋁鏡反射至觀察者眼睛。韋乃耳特電極為電子透鏡中用來控制電子束電流大小之電極，此電極首先由德國科學家韋乃耳特採用，故以韋乃耳特極命名此電極，目前「韋乃耳特」已成為電子透鏡中之專用名詞。約翰生透鏡完全由靜電場控制，因此改變陽極，或韋乃耳特極電壓，即可調整約翰生透鏡的焦距，但通常焦距是用韋乃耳特極電壓來調整。約翰生透鏡中靜電場之等位線如圖六所示，其對應的電子運動軌跡則如圖五所示。 MEM－LEED系統的特性一﹒從MEM模式來看（一）MEM模式係直接利用顯微放大的影像，來觀察表面原子的排列形態。（二）入射電子束並未接觸到表面原子，所以只是恰好在表面處即反射回來。（三）對於表面的接觸電位非常敏感，可利用來測量化學吸附（chemisorption）過程中，表面原子的功函數（work function）之變化。（四）MEM模式操作簡單。二﹒從LEED模式來看（一）電子只有在接近樣品時（約0.5mm距離內）才是低能量電子，因此對於磁場變化的影響可以忽略不計。（二）繞射圖形中，各繞射點間的距離，不因入射電子動能的變化而改變，這對於測量各繞射點強度與入射能量的關係，非常方便。（三）屏幕為平面式的，較一般球面屏幕易於製作，且對一般強度的測量裝置較方便。（四）鑑別率（resolution）較傳統LEED為佳。這點有益於表面結構缺陷的觀測。（五）從LEED模式轉換成MEM模式只要調整韋乃耳特極電壓即可，因此可同時觀測到同一區域的繞射圖形與放大之表面原子影像。 MEM－LEED的主要持點在於不僅可觀測傳統LEED的繞射圖形，並可觀察到真實空間中顯微放大的表面影像，且可減低電子受外界電磁場的影響，以及用韋乃耳特極電壓來調整並控制LEED模式與MEM模式的轉換。因此，MEM－LEED系統對表面科學的研究，提供雙重而良好的技術。參考資料 1.G.Ertl, J. ü, Low Energy Electrons and Surface Shemistry, Eecond edition, 1985. 2.M. Prutton, Surface Physics, Oxford,Second edition, 1983. 3.C. Berger, J. C. Dupuy, J. Appl. Phys., 48:(12)5027, 1977. 4.C. S. Shern, W. N. Unertl, J. Vac. Sci.Technol.A, 5:(4)1266, 1987. 5.C. S. Shern, Ph.D. dissertation, University of Maine, 1986. 6.M. E. Barnett, W. C. Nixon, J. Sci.Instrum., 44:893, 1967. 7.J. C. Dupuy, A. Sibai, B.Vilotitch, Suf.Sci., 147:191, 1984. 8.C. Berger, J. C. Campuzano, R. F. Willis, J. C. Dupuy, J. Micros., 140:395,1985. 9.C. S. Shern, Chinese Journal of Physics,26:1, 1988. 潘文成就讀於師範大學物理研究所
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